21. ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу.

Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы в тепловых двигателях.

Роль тепловых двигателей в развитии теплоэнергетики и транспорта. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Более 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели паровые турбины — устанавливают также на всех атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

Далее, на всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобильном транспорте применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели) Эти же двигатели устанавливаются на тракторах, незаменимых в сельском хозяйстве.

На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы в конечном счете получают энергию преимущественно от тепловых двигателей электростанций.

На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные паровые турбины для крупных судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах — турбореактивные и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов скоростного транспорта.

Основное условие работы тепловых двигателей. Во всех тепловых двигателях топливо при сгорании повышает температуру рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с окружающей средой. При этом повышается давление рабочего тела по сравнению с давлением окружающей среды, т. е. атмосферы, и тело совершает работу за счет своей внутренней энергии. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ.

Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. В состоянии теплового равновесия не происходит никаких макроскопических процессов; в частности, не может совершаться работа.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии в процессе перехода теплоты от более горячих тел к более холодным. При этом совершаемая работа всегда меньше количества теплоты, получаемой двигателем от горячего тела (нагревателя). Часть теплоты передается более холодному телу (холодильнику).

Роль холодильника. Выясним, почему при работе теплового двигателя неизбежна передача части теплоты холодильнику.

При адиабатном расширении газа в цилиндре (рис. 45) работа совершается за счет убыли внутренней энергии без передачи теплоты холодильнику. Согласно формуле (4.14) . При изотермическом процессе вся передаваемая газу теплота оказывается равной работе; .

Однако как в первом, так и во втором процессах работа совершается при однократном расширении газа до давления, равного внешнему (например, атмосферному давлению). Двигатель же должен работать длительное время. Это возможно лишь в том случае, когда все части двигателя (поршни, клапаны и т.д.) совершают движения, повторяющиеся через определенные промежутки времени. Двигатель должен периодически по прошествии одного рабочего цикла возвращаться в исходное состояние; или же в двигателе должен совершаться неизменный во времени (стационарный) процесс (например, непрерывное вращение турбины).

Чтобы возвратить газ в цилиндре в исходное состояние, его необходимо сжать. Для сжатия газа надо совершить над ним работу. Работа сжатия будет меньше работы, совершаемой самим газом при расширении, если газ сжимать при меньшей температуре, а значит, и при меньшем давлении, чем это происходило при расширении газа. Для этого необходимо до сжатия или в процессе сжатия охладить газ, передав некоторое количество теплоты холодильнику.

В используемых на практике двигателях совершивший работу (отработанный) газ (или пар) не охлаждают перед последующим сжатием, а выпускают из двигателя и следующий рабочий цикл начинают с новой порцией газа. Отработанный газ имеет более высокую температуру, чем окружающие тела, и передает им некоторое количество теплоты.

Для вращения паровой турбины на ее лопасти непрерывно подается горячий пар под большим давлением, который после совершения работы охлаждается и выводится из турбины. Остывая и конденсируясь, пар передает теплоту окружающим телам.

У паровой турбины или машины нагревателем является паровой котел, а холодильником — атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В двигателях внутреннего сгорания повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри двигателя и «нагревателем» являются сами раскаленные продукты сгорания топлива. Холодильником также служит атмосфера, куда выбрасываются отработанные газы.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на цветной вклейке Рабочее тело двигателя получает количество теплоты от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты

Другая формулировка второго начала термодинамики. Невозможность полного превращения внутренней энергии в работу в тепловых двигателях, периодически возвращающихся в исходное состояние, обусловлена необратимостью процессов в природе и лежит в основе еще одной формулировки второго закона термодинамики.

Эта формулировка принадлежит английскому ученому У. Кельвину: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Обе формулировки второго закона термодинамики взаимно обусловливают друг друга. Если бы теплота могла самопроизвольно переходить от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в работу с помощью любого теплового двигателя.